曲春林，謝興強(qiáng)，單小晶，崔新華，岳建峰

(萬達(dá)控股集團(tuán)有限公司，山東 東營 257500)

變頻驅(qū)動目前是工業(yè)傳動系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛和普遍的驅(qū)動方式，但在變頻裝置驅(qū)動三相異步電動機(jī)時(shí)，速度的變化或停止會產(chǎn)生電動勢，并反饋給變頻驅(qū)動裝置的直流母線，造成母線電壓升高，使得驅(qū)動裝置發(fā)生故障或損壞。因此需要對電機(jī)加減速產(chǎn)生的電動勢進(jìn)行處理，處理的方式有多種，且各存在利與弊。在現(xiàn)場應(yīng)用中如果使用或處理不當(dāng)容易造成大的故障或隱患。下面就變頻驅(qū)動裝置制動原理、方式選擇、制動電阻使用及現(xiàn)場應(yīng)用中存在的問題作出分析總結(jié)。

1 變頻驅(qū)動裝置配備制動裝置的原因

變頻驅(qū)動裝置在一定頻率運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)降低頻率或停機(jī)，負(fù)載由于存在慣性作用，尤其是重負(fù)載高頻率運(yùn)行的情況下，會出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象。此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子切割磁感線，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電產(chǎn)生了反向電動勢。

而一般的變頻驅(qū)動裝置通常采用交-直-交的主電路，沒有逆變電路，產(chǎn)生的反向電動勢將會反饋到直流電路中，使得直流母線電壓升高，造成驅(qū)動裝置故障或損壞。因此必須通過制動電路消耗掉產(chǎn)生的反向電動勢或采取制動方式減小或避免反向電動勢的產(chǎn)生。

2 常用制動方式

變頻驅(qū)動裝置的制動方式有多種，不同的應(yīng)用場合采取的制動方式不同，需要配備的相應(yīng)裝置也不相同。每一種制動方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)應(yīng)用情況選擇相應(yīng)的制動方式。目前常用的電氣制動方式主要有直流制動、能耗制動、回饋制動等。另外還可以使用機(jī)械方式進(jìn)行制定如機(jī)械抱閘等。

2.1 直流制動

直流制動是當(dāng)變頻驅(qū)動裝置的輸出頻率降為零，而電動機(jī)轉(zhuǎn)速降到一定值時(shí)，變頻裝置向異步電動機(jī)定子繞組通入直流電流，直流電流產(chǎn)生靜止的恒定磁場，阻止電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，達(dá)到制動的效果。該制動方式適用于啟動不頻繁、50 kW以上的異步電動機(jī)。在多裝置聯(lián)動使用、調(diào)速頻繁、啟停頻繁的場合不適合使用。

2.2 回饋制動

回饋制動有兩種：直流母線共用制動和反饋電網(wǎng)制動。直流母線電壓共用制動是將逆變器連接到一個(gè)公共的直流母線上，一臺電機(jī)產(chǎn)生的再生電壓，反饋到直流母線上，通過直流母線作用于其他處于電動狀態(tài)的電機(jī)。反饋電網(wǎng)制動是通過有源逆變技術(shù)，將再生產(chǎn)生的電動勢通過PWM逆變器，逆變?yōu)榕c電網(wǎng)頻率相同的交流電，反饋到電網(wǎng)中?；仞佒苿拥淖畲髢?yōu)點(diǎn)很顯然是節(jié)能降耗，同時(shí)可以提高系統(tǒng)功率因素降低電網(wǎng)諧波電流等。其缺點(diǎn)是需要驅(qū)動裝置配備可控的逆變整流橋且需要多個(gè)，一般適用于大型、多臺驅(qū)動裝置共用的場合。

2.3 能耗制動

能耗制動是將變頻驅(qū)動裝置減速或停止時(shí)，三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子慣性轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的反向電動勢E通過制動控制單元，將產(chǎn)生的能耗消耗在制動電阻上，因此能耗制動包括制定電阻和制動單元兩部分。能耗制動適用于多個(gè)變頻驅(qū)動裝置聯(lián)動控制及中小功率的驅(qū)動控制系統(tǒng)中，一般在7.5 kW以內(nèi)的變頻驅(qū)動裝置內(nèi)置有制動電阻，目前是最為廣泛使用的制動方式，對制動電阻的使用、選型及現(xiàn)場應(yīng)用中常見的問題，下面將作重點(diǎn)的分析介紹。

3 制動電阻制動的結(jié)構(gòu)原理、選型及現(xiàn)場應(yīng)用中常見的問題

3.1 制動電阻的結(jié)構(gòu)原理

變頻驅(qū)動裝置本身的電容是能夠吸收一部分反向電動勢的，但當(dāng)電容器的電壓上升到一定值時(shí)，制動單元會控制其與制動電阻接通，將制動能量消耗在制動電阻上。一般情況下制動電阻的接通會根據(jù)電容電壓的設(shè)定值大小而接通，一般V/F變頻器將該值設(shè)定為700 V。使用時(shí)該值可以根據(jù)制動時(shí)間、制動頻率、制動力矩大小等進(jìn)行修改。制動單元的工作原理如圖1所示，其中Rb為制動電阻，Ed為反向電動勢、BV為功率管控制制動電阻的接通。

圖1 制動單元工作原理

3.2 制動電阻的選型

制動電阻的兩個(gè)重要參數(shù)是電阻阻值和功率，對于參數(shù)的確定除了變頻驅(qū)動裝置功率、耗用功率還與制動電阻接通時(shí)間、兩次制動之間間隔頻率、安裝環(huán)境等因素有關(guān)。其中制動電阻阻值之間。

由于拖動系統(tǒng)的制動時(shí)間在一般應(yīng)用場合都是短暫的，在短時(shí)間制動過程中制動電阻溫度一般達(dá)不到其額度溫升，而在制動后的停歇時(shí)間又較長，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，制動電阻完全可以冷卻至環(huán)境溫度，因此選擇制動電阻的額定功率完全可以小于通電時(shí)耗用功率。制動電阻功率理論計(jì)算可由以下公式計(jì)算得出：

公式中Pb——制動電阻最大功率；

公式中Ud——直流回路電壓，一般為660~760 V，可參數(shù)調(diào)節(jié)；

公式中Rb——制動電阻阻值，可計(jì)算獲得，也可查看廠家手冊獲得。

制動電阻的選型沒有必要按照最大功率來選擇，但受制動電阻接通時(shí)間、每次間隔頻率、現(xiàn)場使用環(huán)境等影響，需要具體分析計(jì)算，通過現(xiàn)場應(yīng)用分析測量，實(shí)際制動電阻的功率計(jì)算可由以下公式計(jì)算得出：

公式中γb為外接制動電阻功率的修正系數(shù)

制動電阻功率修正系數(shù)確定一般分為兩種情況：

（1）不頻繁制動，制動次數(shù)較少，一次制動后在較長時(shí)間內(nèi)不再制動的負(fù)載，對于這種負(fù)載，修正系數(shù)的大小取決于每次制動需要的時(shí)間：

每次制動時(shí)間Tb小于10 s時(shí)，可取γb=7；

每次制動時(shí)間Tb大于100 s時(shí)，可取γb=1；

該計(jì)算可呈線性進(jìn)行計(jì)算，因此γb=Tb/15+6.5

（2）對于頻繁制動負(fù)載，比如起重機(jī)、多裝置聯(lián)動控制等場合，修正系數(shù)不僅取決于制動時(shí)間Tb，還要考慮兩次制動的時(shí)間間隔Tc。

通常情況下變頻驅(qū)動裝置的廠家在技術(shù)資料上會提供制動電阻的選型列表，技術(shù)人員可根據(jù)裝置的參數(shù)及應(yīng)用情況進(jìn)行選擇，比如西門子G120變頻器，便提供以下選型參數(shù)，如表1所示。

表1 西門子G120變頻器選型參數(shù)

制動電阻的制動時(shí)間和頻率存在很多不確定性，因此在選型時(shí)，都要適當(dāng)增加余量，并增加熱保護(hù)。

3.3 制動電阻的安裝

制動電阻的安裝有著通用的規(guī)范，各廠家也有具體安裝數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范。對于制動電阻的安裝需要遵守以下幾個(gè)基本規(guī)范：

（1）安裝位置規(guī)范：對于外置制動電阻要求水平安裝，且盡量安裝在開關(guān)設(shè)備的外部，對于安裝有風(fēng)扇的制動電阻，要注意不要遮擋通風(fēng)口，一般大容量的波紋型制動電阻帶有風(fēng)扇降溫。

（2）制動電阻應(yīng)安裝在高導(dǎo)熱性能的耐熱表面上，確保散熱效果。

（3）對于多個(gè)制動電阻，布局要合理，有利于散熱，比如西門子FSD結(jié)構(gòu)尺寸的變頻器制動電阻要求四周間距大于250 mm，上方100 mm無覆蓋。因此制動電阻的使用規(guī)范要遵守廠家提供的技術(shù)數(shù)據(jù)要求。

（4）制動電阻發(fā)熱變紅，可能引起火災(zāi)，因此通常情況下會在制動電阻上安裝測溫開關(guān)，測溫開關(guān)信號可接入報(bào)警系統(tǒng)或直接接入變頻器數(shù)字量輸入端子，觸發(fā)驅(qū)動裝置外部故障報(bào)警。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用中制動電阻發(fā)熱的原因及解決方法

制動電阻發(fā)熱是能耗制動最為常見的問題，在有些應(yīng)用場合解決起來也比較困難，而且發(fā)熱嚴(yán)重后容易引起火災(zāi)，存在安全隱患。對于制動電阻發(fā)熱原因可以歸納為以下幾個(gè)原因：

（1）制動電阻選型小?？梢栽诓桓闹苿与娮枳柚档那闆r下，增加制動電阻容量，此時(shí)制動控制單元也不需要改變。

（2）制動時(shí)間過長或太頻繁。該現(xiàn)象主要是變頻驅(qū)動裝置的控制存在問題，對于獨(dú)立的變頻驅(qū)動裝置，可以調(diào)整加減速時(shí)間、減少啟停次數(shù)，提高制動電阻導(dǎo)通電壓閥值等措施，減少制動能量的釋放，也可以增加制動電阻容量，使得制動電阻溫度降低。對于多臺聯(lián)動的變頻驅(qū)動裝置，尤其是控制系統(tǒng)使用PID控制、力矩控制等，不合適的PID參數(shù)可能導(dǎo)致變頻裝置過度頻繁的調(diào)速，增加制動頻率，導(dǎo)致制動電阻發(fā)熱。此時(shí)應(yīng)調(diào)整控制系統(tǒng)的PID參數(shù)，使調(diào)速平穩(wěn)，減小變頻裝置頻率的大幅度變化。

（3）環(huán)境溫度過高。外接制動電阻一般會安裝在配電柜的外側(cè)，但也不宜與變頻裝距離過長，一般保持在2 m以內(nèi)。環(huán)境溫度對制動電阻的散熱也有著很大的影響，一般采取強(qiáng)風(fēng)散熱、水冷、油冷、安裝空調(diào)降低環(huán)境溫度的方式來加強(qiáng)制動電阻與環(huán)境的熱交換。

（4）在變頻裝置聯(lián)動運(yùn)行中，某一臺處于被動轉(zhuǎn)動。該現(xiàn)象很少注意或發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殡妱訖C(jī)從動轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，始終切割磁感線，一直產(chǎn)生反向電動勢，制動電阻長期接通，會快速升溫，此時(shí)最增大制動電阻容量、調(diào)整裝置參數(shù)、強(qiáng)風(fēng)降溫等措施將都會無濟(jì)于事。對于該問題，可以查看電機(jī)力矩是否為負(fù)值，如果為負(fù)值，需要調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)來實(shí)現(xiàn)相鄰電機(jī)速度更好的匹配，消除負(fù)力矩，即可解決制動電阻發(fā)熱問題。

4 結(jié)論

變頻驅(qū)動作為應(yīng)用最為廣泛的驅(qū)動裝置，應(yīng)用于各種負(fù)載、各種環(huán)境的傳動系統(tǒng)中。其制動方式多種多樣，但應(yīng)用場合的不同，需要選用不同的制動方式，詳細(xì)總結(jié)分析各種制動方式的特點(diǎn)、選型、使用問題等，無論是在項(xiàng)目開發(fā)還是設(shè)備維護(hù)方面都有著重大的意義，是避免相關(guān)問題出現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。